CN107576727A - 基于信号能量的Lamb波传感信号长度补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于信号能量的Lamb波传感信号长度补偿方法，属于工程结构健康监测技术领域。本方法首先在原有传感器附近布置另外一个补偿传感器，两个传感器同步采集Lamb波信号；然后求取补偿信号不同偏移量时，待补偿信号与补偿信号的合成能量；其次根据合成能量最大值点对应的偏移量，对补偿信号进行偏移；最后对偏移后的补偿信号和待补偿信号进行合成，实现对Lamb波传感信号长度的补偿。本发明降低了Lamb波传感信号采集对数据采集系统存储空间的要求，增加了Lamb波传感信号的采样长度，提高了后续的Lamb波传感信号处理与分析的精确性，从而有助于促进基于Lamb波的结构健康监测方法在工程结构健康监测领域中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及工程结构健康监测技术领域，具体是一种基于信号能量的Lamb波传感信号长度补偿方法。
背景技术
结构健康监测技术对于预防重大事故的发生、提高结构的安全性，减少经济损失、降低结构的维护费用、保障重大工程项目的建设具有重要的科学研究意义和广阔的应用前景。基于Lamb波的结构健康监测方法具有损伤监测灵敏度高、监测范围大、既能在线应用也可离线应用、既能进行主动损伤监测也能进行被动冲击监测、既能监测金属结构也能监测复合材料结构等等优点。因此，基于Lamb波的结构健康监测方法受到了国内外的广泛研究，是目前最具有前景的结构健康监测技术之一。通常，压电传感器是实现Lamb波激励和传感的主要器件。针对基于Lamb波的结构健康监测方法，主要是通过分析Lamb波受损伤作用之后，信号在时域、频域、时频域的特征或者模式变换特征，如信号的飞行时间、幅值、能量、主要频率成分及其幅值、时频幅值、奇异性特征值等等对损伤进行辨识和表征。
但是，受限于数据采集系统的存储空间，单通道数据采集系统采集到的Lamb波传感信号长度有限，这严重影响着后续的信号分析结果，造成损伤辨识和表征误差变大。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出了一种基于信号能量的Lamb波传感信号长度补偿方法，该方法通过增加数据采集通道，根据信号能量最大值求取补偿信号的时间延迟，从而补偿Lamb波传感信号的长度。
本发明是以如下技术方案实现的：一种基于信号能量的Lamb波传感信号长度补偿方法，在原有传感器附近布置另外一个补偿传感器，两个传感器同步采集Lamb波信号；然后求取补偿信号不同偏移量时，待补偿信号与补偿信号的合成能量；其次根据合成能量最大值点对应的偏移量，对补偿信号进行偏移；最后对偏移后的补偿信号和待补偿信号进行合成，实现对Lamb波传感信号长度的补偿。
优选的，具体步骤如下：
步骤(1)同步采集：在原有Lamb波传感器A附近布置另外一个Lamb波传感器B，用于补偿原有信号的长度，Lamb波传感器A和Lamb波传感器B两个Lamb波传感器同步采集，原有Lamb波传感器A采集到的Lamb波传感信号为待补偿信号fA(t)，Lamb波传感器B采集到的Lamb波传感信号为补偿信号fB(t)，t为采样点；
步骤(2)求取补偿信号不同偏移量时，待补偿信号与补偿信号的合成能量：
①求取信号的长度L；
②在待补偿信号fA(t)前端和后端分别补充L-1个0，构成一个新的信号f’A(t)；
③首先将补偿信号fB(t)偏移i个采样点，i∈[-(L-1),(L-1)]，然后在fB(t)前端补充L-1+i个0，在fB(t)后端补充L-1-i个0，构成一个新的信号f’B(t)；
④根据公式(1)，求取偏移i个采样点时，待补偿信号与补偿信号的合成能量E(i)：
步骤(3)对补偿信号fB(t)进行偏移：
①求取待补偿信号与补偿信号的合成能量E(i)最大值点对应的偏移量I；
②将补偿信号fB(t)偏移I个采样点，构成新的信号f’B-I(t)；
步骤(4)对待补偿信号fA(t)进行补偿：在各个采样点对fA(t)和f’B-I(t)进行合成，如果在该采样点下，fA(t)和f’B-I(t)均有值，则计算fA(t)和f’B-I(t)的平均值作为补偿后信号f(t)在该采样点的值；如果在该采样点下，fA(t)和f’B-I(t)只有一个有值，则该值即为补偿后信号f(t)在该采样点的值。
本发明的有益效果如下：
1、降低了Lamb波传感信号采集对数据采集系统存储空间的要求；
2、增加了Lamb波传感信号的采样长度；
3、提高了后续的Lamb波传感信号处理与分析的精确性；
4、有助于促进基于Lamb波的结构健康监测方法在工程结构健康监测领域中的应用。
附图说明
图1是本发明流程框图；
图2是实施例中，试件形状、压电传感器位置示意图；
图3是传感器A采集到的待补偿信号fA(t)；
图4是传感器B采集到的补偿信号fB(t)；
图5是前后端补零后的待补偿信号f’A(t)；
图6是偏移和补零后的补偿信号f’B(t)；
图7是不同偏移量时，待补偿信号与补偿信号的合成能量E；
图8是偏移后的补偿信号f’B-I(t)；
图9是待补偿信号与补偿信号的合成示意图；
图10是补偿后的信号f(t)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。
本方法首先在原有传感器附近布置另外一个补偿传感器，两个传感器同步采集Lamb波信号；然后求取补偿信号不同偏移量时，待补偿信号与补偿信号的合成能量；其次根据合成能量最大值点对应的偏移量，对补偿信号进行偏移；最后对偏移后的补偿信号和待补偿信号进行合成，实现对Lamb波传感信号长度的补偿。
如图1所示，在原有Lamb波传感器A附近布置另外一个Lamb波传感器B，两则同步采集，得到待补偿信号fA(t)和补偿信号fB(t)；求取信号的长度L；在待补偿信号fA(t)前端和后端分别补充(L-1)个0，构成一个新的信号f’A(t)；求取补偿信号不同偏移量时，待补偿信号与补偿信号的合成能量E(i)；求取待补偿信号与补偿信号的合成能量E(i)最大值点对应的偏移量I；将补偿信号fB(t)偏移I个采样点，构成新的信号f’B-I(t)；在各个采样点对fA(t)和f’B-I(t)进行合成；得到补偿后的Lamb波传感信号f(t)。
实施例试件为一块1000mm×1000mm×2mm(长×宽×厚)的7075铝合金。激励/传感元件为PZT-5A型压电传感器，PZT-5A型压电传感器的直径为8mm、厚度为0.4mm。实验设备为航空结构健康监测集成压电多通道扫查系统。
本实施例包括如下步骤：
步骤一：同步采集
在原有Lamb波传感器A上方20mm处布置另外一个Lamb波传感器B，用于补偿原有信号的长度，如图2所示。A和B两个Lamb波传感器同步采集，原有Lamb波传感器A采集到的待补偿信号为fA(t)，如图3所示，补偿传感器B采集到的待补偿信号为fB(t)，如图4所示。
步骤二：求取补偿信号不同偏移量时，待补偿信号与补偿信号的合成能量
①求取信号的长度为L＝150。
②在待补偿信号fA(t)前端和后端分别补充149个0，构成一个新的信号f’A(t)，如图5所示。
③假如要将补偿信号fB(t)向前偏移100个采样点，那么，首先将补偿信号fB(t)偏移-100个采样点(负号代表着向前偏移)，然后在前端补充49个0，在后端补充249个0，构成一个新的信号f’B(t)，如图6所示。
④根据公式(1)，求取偏移-100个采样点时，待补偿信号与补偿信号的合成能量E(-100)＝-117.40。
根据以上计算流程求取的补偿信号不同偏移量时，待补偿信号与补偿信号的合成能量如图7所示。
步骤三：对补偿信号fB(t)进行偏移
①求取待补偿信号与补偿信号的合成能量E(i)最大值点对应的偏移量I＝25，如图7所示。
②将补偿信号fB(t)偏移25个采样点，构成新的信号f’B-I(t)，如图8所示。
步骤四：对待补偿信号fA(t)进行补偿
在各个采样点对fA(t)和f’B-I(t)进行合成，如图9所示。从采样点0到采样点24，只有fA(t)有值，则该值即为补偿后信号f(t)在该采样点的值；从采样点25到采样点149，fA(t)和f’B-I(t)均有值，则计算fA(t)和f’B-I(t)的平均值作为补偿后信号f(t)在该采样点的值；从采样点150到采样点174，只有f’B-I(t)有值，则该值即为补偿后信号f(t)在该采样点的值。最后计算出的补偿后信号f(t)如图10所示。
Claims (2)
1.一种基于信号能量的Lamb波传感信号长度补偿方法，其特征在于:在原有传感器附近布置另外一个补偿传感器，两个传感器同步采集Lamb波信号；然后求取补偿信号不同偏移量时，待补偿信号与补偿信号的合成能量；其次根据合成能量最大值点对应的偏移量，对补偿信号进行偏移；最后对偏移后的补偿信号和待补偿信号进行合成，实现对Lamb波传感信号长度的补偿。
2.根据权利要求1所述的基于信号能量的Lamb波传感信号长度补偿方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤(1)同步采集：在原有Lamb波传感器A附近布置另外一个Lamb波传感器B，用于补偿原有信号的长度，Lamb波传感器A和Lamb波传感器B两个Lamb波传感器同步采集，原有Lamb波传感器A采集到的Lamb波传感信号为待补偿信号fA(t)，Lamb波传感器B采集到的Lamb波传感信号为补偿信号fB(t)，t为采样点；
步骤(2)求取补偿信号不同偏移量时，待补偿信号与补偿信号的合成能量：
①求取信号的长度L；
②在待补偿信号fA(t)前端和后端分别补充L-1个0，构成一个新的信号f’A(t)；
③首先将补偿信号fB(t)偏移i个采样点，i∈[-(L-1),(L-1)]，然后在fB(t)前端补充L-1+i个0，在fB(t)后端补充L-1-i个0，构成一个新的信号f’B(t)；
④根据公式(1)，求取偏移i个采样点时，待补偿信号与补偿信号的合成能量E(i)：
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步骤(3)对补偿信号fB(t)进行偏移：
①求取待补偿信号与补偿信号的合成能量E(i)最大值点对应的偏移量I；
②将补偿信号fB(t)偏移I个采样点，构成新的信号f’B-I(t)；
步骤(4)对待补偿信号fA(t)进行补偿：在各个采样点对fA(t)和f’B-I(t)进行合成，如果在该采样点下，fA(t)和f’B-I(t)均有值，则计算fA(t)和f’B-I(t)的平均值作为补偿后信号f(t)在该采样点的值；如果在该采样点下，fA(t)和f’B-I(t)只有一个有值，则该值即为补偿后信号f(t)在该采样点的值。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107748208A (zh) * | 2017-10-24 | 2018-03-02 | 厦门大学 | 一种基于基准导波信号匹配的温度补偿方法 |
| CN110441390A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-11-12 | 上海大学 | 一种基于十字阵和空间-波数滤波器的损伤定位方法 |
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